熔融盐储能技术及应用现状

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1、熔融盐储能技术及应用现状随着全球新能源产业的快速发展， 风力发电与太阳能等随机性和间歇性很强的发电方式对电网的正常运行管理提出了相当高的挑战， 相应地，各类储能（储热） 技术也逐渐纳入了人们的视角。 熔融盐储能技术是利用硝酸盐等原料作为传热介质， 通过新能源发出的热能与熔盐的内能转换来存储或发出能量， 一般与太阳能光热发电系统结合， 使光热发电系统具备储能和夜间发电能力，满足电网调峰需要，具有很强的经济优势， 已经在西班牙、 意大利等欧洲地区和部分北美地区等发达国家得到了实际的商业化应用。一、熔融盐介绍1.1 熔融盐的特性熔融盐是盐的熔融态液体， 通常说的熔融盐是指无机盐的熔融体， 广义上的熔

2、融盐还包括氧化物熔体及熔融有机物。 除了单一无机盐外， 将同一类熔融盐按照一定比例混合， 或者将不同种类的熔融盐按照一定的配方混合， 可以形成多种新型混合共晶熔融盐。 这些混合熔融盐可以根据成分配比的不同， 获得各种熔点和使用温区的熔融盐工质， 能够避免硝酸盐使用温度低、 氯化盐熔点温度高等缺点， 同时保留熔融盐热稳定性和化学稳定性好、 饱和蒸汽压低、 比热容大等一系列优点， 因此在工业上获得了广泛应用。目前， 寻找性能优越的混合熔融盐成为熔融盐传热蓄热研究的主要方向之一。熔融盐有不同于水溶液的诸多性质， 主要包括： 熔融盐为离子熔体， 通常由阳离子和阴离子组成， 具有良好的导电性能， 其导电

3、率比电解质溶液高 1 个数量级； 具有广泛的使用温度范围，通常的熔融盐使用温度在 300 1000之间，新研发的低熔点混合熔融盐使用温度更是扩大到了 60 1000；饱和蒸汽压低，保证了高温下熔融盐设备的安全性；热容量大；对物质有较高的溶解能力；低粘度；化学稳定性好；原料易获得，价格低廉， 与常见的高温传热蓄热介质导热油和液态金属相比， 绝大多数熔融盐的价格都非常低廉， 且容易获得。 这些优异的特性使熔融盐被广泛用作热介质、 化学反应介质以及核反应介质，尤其近些年来在太阳能热发电系统中，熔融盐得到了广泛的应用。1.2 熔融盐的种类熔融盐作为传热介质既可以达到较高的工作温度又具有蓄热功能， 又可

4、以克服由于云遮带来的蒸汽参数不稳定等问题， 是目前应用较多、 较为成熟的传热蓄热材料。 最常见的熔融盐是由碱金属或碱土金属与卤化物、 硫酸盐、 碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成。下面分别介绍几种常见的熔盐。1) 碳酸盐。碳酸盐价格不高，熔解热大，腐蚀性小，密度大 ( 相对密度约为 2) ，是很有希望的相变材料。 碳酸盐按不同比例混合可以得到不同熔点的共晶混合物。 其中， 碳酸钾和碳酸钠共晶混合物是很有应用前景的碳酸盐混合物。 碳酸盐的缺点是熔点较高而且液态碳酸盐的黏度大，有些碳酸盐容易分解，这就限制了碳酸盐的广泛应用。2) 氯化物。氯化物种类繁多， 价格一般都很便宜， 可以按要求制成不同熔点的混合

5、盐， 而且相变潜热比较大。氯化物作为熔融盐缺点是其工作温度上限较难确定，而且大多腐蚀性强。3) 氟化物。氟化物主要为碱金属及碱土金属氟化物， 是非含水盐。 由于氟化物常具有很高的熔点及很大的熔融潜热， 所以它们常常作为高温型储热材料使用。 熔融状态氟化物具有蒸气压力低，传热性能好，与空气、水都不发生剧烈反应， 和金属容器材料的相容性较好等优点。它的缺点主要有两点：一是由液相转变为固相时体积形变大，如 LiF 高达 23 %；二是热导率低。4) 硝酸盐在冶金工业中常用于钢和轻合金的处理，大多数硝酸盐的熔点在 300左右。主要的优点是价格低、腐蚀性小及在 500以下不会分解。对混合硝酸盐熔盐的研究

6、比较成熟，目前已成功应用在太阳能热发电系统中。现在， 高温熔盐已由空间发电发展到地面太阳能电站发电。 运用高温硝酸熔盐发电可以使太阳能电站操作温度提高到 450500， 这样就使得蒸汽轮机发电效率提高到 40。 此外，运用熔融盐也可以使储热效率提高 2.5 倍， 从而减小蓄热容器的体积。 表 1 为常见的无机盐储能材料的热物理特性。二、熔融盐储能系统的技术现状目前使用的储能方法和技术主要分为四类： 机械储能主要包括利用物体的势能和动能蓄能，压缩空气储能也是势能的一种方法；电化学储能主要采用电化学方法通过蓄电池储能；电磁储能利用超导原理和电荷吸附原理， 如超导磁储能和超级电容储能等； 蓄热储能就

7、是采用不同材料在不同温度段下所具有的蓄热能力， 达到蓄热和放热的目的。 不同的储能方式可以用于不同方面。四种储能的方法及其技术特点见下表 2。表 2 四种储能的方法及其技术特点2.1 熔融盐蓄热储能的方式作为新型的储热蓄能， 熔融盐储能技术是目前国际上最为主流的高温蓄热技术之一， 具有成本低、 热容高、 安全性好等优点， 已在西班牙等国的太阳能光热发电中得到了实际应用。常用的高温蓄热材料可分为显热式、潜热式和混合式。显热储能主要是通过某种材料温度的上升或下降而储存热能， 是目前技术最成熟、 材料来源最丰富、成本最低廉的一种蓄热方式。显热储能包括双罐储能（导热油、熔融盐） 、水蒸气储能、固体储能

8、（混凝土、陶瓷） 、单罐斜温层储能（导热油、熔融盐）等。潜热储能主要是通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存， 包括熔盐相变储能、熔盐 +无机材料复合相变储能等。潜热式高温蓄热材料虽然存在着高温腐蚀、价格较高等问题， 但其蓄热密度高，蓄热装置结构紧凑，而且吸热放热过程近似等温， 易于运行控制和管理。 高温熔盐作为潜热蓄热相变材料的一种， 同时又能形成离子液体， 具有许多低温蓄热材料所没有的特点，因而引起人们极大的关注。混合储能就是将显热储能、 潜热储能等方式结合起来， 以取得最好的经济性。 混合储能包括相变储能 +斜温层储能、相变储能 +混凝土储能等。图 1 三种储能方式的使用温

9、度2.2 熔融盐蓄热储能的技术手段结合不同的储能方式， 可将熔融盐实现蓄热储能的技术手段分为塔式、 直接蒸汽塔式和槽式三种。首先熔盐塔式发电可持续 24 小时发电，可调峰调度，可完全取代传统的煤、石油等能源， 无需天然气等其他辅助能源。 塔式热发电站中的吸热器是将太阳能转化为热能的核心部件，采用熔融盐作为传热介质，效率高、功率大、易于大容量蓄热，可实现连续、稳定大规模发电。 该类型的发电站是未来最适宜商业化的太阳能热发电系统， 但连续工作在非稳态的高温环境下， 而且高温时熔融盐工质具有一定腐蚀性， 这就使得吸热器很容易发生故障， 其中最常见的故障就是过热。 吸热器发生过热将导致结构破坏、 熔融

10、盐换热工质劣化等后果，直接影响电站的正常运行。直接蒸汽塔式发电不能储热，仍然需要一些辅助的能源，传热不稳定，还面临高压、高应力的问题。槽式发电是两次换热，首先是导热油和熔盐，第二是熔盐和水， 它是世界上商界化运作最为成熟的一种发电模式， 需要天然气作为辅助能源。据美国可再生能源集团私募股权基金提供的资料，对熔盐储热塔式、直接蒸汽塔式及传统槽式技术进行了如下对比：熔盐储热塔式 DSG塔式 槽式一体化的储热系统提供稳定 24 小时发电；可调度，可完全取代传统化石能源；无需天然气即可提供稳定不间断电力，无需天然气排放及管道许可，无需考虑燃料成本及成本变化； 技 术 已 通 过 Solar Two证明

11、；联合技术公司提供技术担保。 无 一 体 化 储 热系统，只能通过附加储热，增加的热交换会导致系统效率降低； 需 要 天 然 气 预热系统，对于选址及项目许可有困难，燃料费用有风险； 两 相 蒸 汽 流 动问题，不均匀的热交换，系统高压，水滴的产生，发电机组的损害；高压系统，管壁较粗，运维费用高。无一体化储热系统，只能通过附加储热，增加的热交换及较低的运营温度会导致系统效率降低；导热油作为传热介质的局限性， 每 1MW需要 1.6 公里长的管道，需要极大的天然气辅助热源，导热油本身有毒性，对环境不友好，较低温度导致较低的蒸汽质量；是一个相对成熟的技术，但发电成本要高出塔式不少表 3 熔盐储热塔

12、式、直接蒸汽塔式及传统槽式的对比一方面， 由于储热同储热介质的温差是成正比的， 以导热油作介质， 一般的槽式电站可实现 390 摄氏度左右的温度， 而塔式电站可实现温度为 560 摄氏度， 按此计算温差， 储热量相同情况下， 槽式电站需要 3 倍以上的熔盐才能达到同样的储热小时数， 这将导致成本上升很多。另外，在气候寒冷的高海拔地区， 100MW的槽式电站需要超过 100 公里长的集热管，这些集热管长期暴露于寒冷的环境中， 无法保温， 集热管里的导热油在晚上无法抽出， 这时就变成了巨大的散热场。运营方面，槽式电站在晚间为了保温， 需要辅助天然气，其能耗占其白天收集能量的比例可达 30%以上。

13、目前全球所有的在运行槽式电站没有一个位于海拔超过2000 米的地区。而对于熔盐塔式， 100MW的熔盐塔式电站仅仅需要 600 米的管道，所有的熔盐管道都加了极厚的保温层并位于建筑结构内， 管道里的熔盐在晚上流回保温能力强的罐内。 运营商无需天然气或其他辅助燃料保温。塔式熔盐技术的优点明显， 但技术难度较大， 主要体现在对熔盐的控制上， 如何防止熔盐的凝固， 熔盐传输管道万一发生熔盐凝固， 对整个系统将造成巨大损失。 但国内外业内目前普遍看好该技术的市场前景，这已成为光热发电未来发展的主流方向之一。三、熔融盐储能的应用现状3.1 国外熔盐储能项目的应用介绍近几年随着欧美国家太阳能光热发电的兴起

14、，熔融盐作为一种蓄热介质也被广泛应用。目前美国、德国、以色列、西班牙、南非、印度、中东等很多国家，都把熔融盐作为蓄热介质应用到光热发电储能中去。 熔融盐具有广泛的使用温度， 相对于其他的流体 （有机物流体、水和液态金属） ，它的使用范围最广，而且具有较低的蒸汽压，特别是混合熔融盐，蒸汽压更低。 由于具有较低的粘度，系统流动运行安全性较高， 同时化学稳定性好，特别是在高温下使用状态稳定。因此， 近几年以来美国桑迪国家实验室、可再生能源实验室，澳大利亚联邦科学与工业研究组织、 印度科学技术部、 以色列威茨曼研究院、 法国阿海珐等诸多大型研究院和企业都在致力于熔融盐储热技术的开发。目前世界上已经建设

15、运行和正在建设中带储热的光热电站，储热时间已由过去的 1 小时、 3 小时到目前的 6 小时、 9 小时、十几小时发展！这已经在很大程度上提高了电站运行效率，同时意味着运作成本大幅度降低。以美国 lvanpah 项目为例，该电站由 BrightSoure公司施工建设，总装机量超过 380MW，是目前世界上最大的太阳能塔式光热电站。据统计，目前全球共建成 105 座太阳能光热电站。这些电站几乎全部采用熔融盐储热，其具体配置为双罐式结构，如下图所示。其中加利福尼亚的 SEGS槽式光热电站已经连续运行了 30 年， SEGS电站之后美国又在西部沙漠地区建设了一大批光热电站。图 2 双罐式熔盐储能结构

16、图2009 年 3 月，西班牙 Andasol 槽式光热发电成为全球首个配置熔盐储热系统商业化运行的 CSP 电站以后。 2010 年，意大利国家电力集团建设运营的 Archimede （阿基米德）电站包括面积为 30000 m2 的反射镜面、长达 5400m的熔融盐真空管、热交换罐和涡轮发电机。反射镜面将太阳能集中于真空管，加热管中流动的熔融盐，可使其温度升高到 550。熔融盐将热量传导给蓄水的热交换罐， 通过热交换产生高温、 高压的水蒸气， 最后带动涡轮发电机发电。 由于完全使用熔融盐为导热介质， 阿基米德电站蓄热能力强， 与普通太阳能光热发电站相比，即使在光照强度低的情况下，系统仍熔融盐储热系统经济性分析。作为全球光热发电技术的领先者， 西班牙公司采用熔盐储热技术在中东沙漠地区也建立了大批不同发电形式的光热电站，而 Gemasolar 电站被认为是目前建设的最成功的一个。2011 年 7 月初， 总装机 19.9 兆瓦的西班牙 Gemasolar 太阳能